基于柔性MXene半导体金属氧化物传感器设计的应用「纳米材料传感器」

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介绍

如今，智能电子最近在电子皮肤、软机器人、医疗植入物和可穿戴设备领域引起了极大的兴趣。智能仿生电子产品得益于其固有的卓越感知能力，能够检测外部刺激并将其变化转化为可记录的电信号，广泛应用于人类日常运动检测、皮肤感知、智能假肢和机器人等领域。通常，传统的柔性电子产品是通过将导电填料嵌入弹性体或将半导体集成到柔性薄金属基板中来制造系统中的导电通道。不幸的是，低拉伸性、低灵敏度和窄感应范围严重阻碍了柔性电子产品的进一步发展。因此，开发具有检测和保护功能的柔性智能传感器是非常可取的，并且仍然是一个巨大的挑战。

摘要

导电水凝胶最近在生物医学和智能电子领域引起了广泛关注。尽管现有的导电水凝胶具有多种功能，但引入水凝胶来调节瘤周器官与肿瘤之间的距离、减少对瘤周器官的辐射损伤仍然是一个挑战。最近，基于不同的超分子组装制造了具有多种理想特征的疏水缔合水凝胶。MXene 和水解角蛋白 (HK) 的引入赋予水凝胶优异的导电性、超拉伸性 (>2000%) 和良好的自粘性。此外，水凝胶用作智能传感器，用于监测各种人体运动和生理信号，具有宽应变窗口、快速响应时间（130 ms）和出色的应变灵敏度（GF = 10.22）。

【制备水凝胶与机械测试】

设计并制备了疏水缔合水凝胶HK-M-PAAm。将阿拉伯树胶(GA)和十二烷基磺酸钠(SDS)作为复合表面活性剂引入水凝胶中，提供了防止液滴聚集的稳定性。同时，复合表面活性剂形成的胶束起到动态物理交联的作用，赋予了HK-M-PAAm水凝胶良好的自愈性能和重塑能力。此外，水解角蛋白（HK）的引入不仅增加了水凝胶的延展性，而且赋予了水凝胶优异的附着力，使其能够通过氢键、疏水相互作用、金属络合和静电作用与不同的基材紧密粘合。MXene的存在使水凝胶具有出色的导电性，并且MXene表面的大量亲水基团可以作为连接PAAm和HK的桥梁，有效提高水凝胶的力学性能。

图1：HK-M-PAAm水凝胶的制备过程示意图和应用示意图。

图2：a,b) HK-M-PAAm 水凝胶的机械测试，包括吹气球、拉伸和打结拉伸；c) M-PAAm、HK-PAAm 和 HK-M-PAAm 水凝胶的 G′ 和 G″；d) M-PAAm、HK-PAAm 和 HK-M-PAAm 水凝胶的拉伸曲线；e) M-PAAm、HK-PAAm和HK-M-PAAm水凝胶的相应应力和韧性；f) M-PAAm、HK-PAAm和HK-M-PAAm水凝胶的相应应变和弹性模量；g）不同HK含量的HK-M-PAAm水凝胶的拉伸曲线；h）不同HK含量的HK-M-PAAm水凝胶的相应应力和韧性；i）不同HK含量的HK-M-PAAm水凝胶的相应应变和弹性模量。

【高粘和自愈性】

水凝胶对Cu、Ti、玻璃、PMMA和PTFE等多种基材表现出非凡的附着力，粘合强度受HK含量的影响。随着HK的含量从单体含量的25%增加到75%，水凝胶的粘合强度逐渐增加。当HK/AAm的质量比为75 wt%时，HK-M-PAAm水凝胶表现出最佳的粘合性，粘合强度达到29.88 kPa。当HK-M-PAAm水凝胶被切成两块，24小时后自愈；破损面接触24h时，破损的水凝胶完全愈合，可以承受一定的拉力。自愈行为主要源于胶束的重组和断裂表面的氢键，这些动态的物理相互作用可以有效地促进链段之间的运动，赋予水凝胶快速、优异的自愈能力。

图3：a) 不同HK比例的HK-M-PAAm水凝胶在玻璃基板上的粘合强度；b) HK-M-PAAm 水凝胶在不同材料基材上的粘合强度；c) HK-M-PAAm 水凝胶对各种有机和无机材料（包括钢、橡胶、玻璃、木材、红玉髓和塑料等）的出色粘合性的演示；d) 动态手腕运动过程中水凝胶与非平面皮肤之间的密切接触照片。

图4：HK-M-PAAm 水凝胶的自愈性能：a) HK-M-PAAm 水凝胶自愈前后 24 h 的光学显微镜照片；b) HK-M-PAAm水凝胶自愈前后的照片和自愈水凝胶的拉伸显示；c) HK-M-PAAm水凝胶自愈前后的电导率照片；d) 受损HK-M-PAAm水凝胶的可回收性和重塑水凝胶的拉伸性；e) 固定频率为 10 rad s-1 的水凝胶的阶跃应变测量；f) HK-M-PAAm 水凝胶在自愈前后的电导率；g）自愈水凝胶响应90°手指弯曲的相对电阻变化。

【传感器】

此外，优异的自修复性能可以应对反复弯曲和拉伸造成的机械损伤，从而提高实际应用中的耐用性。光学显微镜图像如图 4a 所示，以直观地展示自愈过程。当 HK-M-PAAm 水凝胶的破损表面接触 24 h 时，破损的水凝胶完全愈合，可以承受一定的拉力（图 4b）。HK-M-PAAm水凝胶与绿色LED指示灯连接成完整电路的自愈过程，如图4c所示。如图 4d 所示，将完整的 HK-M-PAAm 水凝胶切成碎片，这些碎片可以很容易地重新成型，并且重新成型的水凝胶可以承受拉伸变形。

图5：水凝胶传感器相关表征。a) HK-M-PAAm水凝胶传感器在不同拉伸应变(0-1000%)下的相对电阻变化和GF；b) HK-M-PAAm 水凝胶传感器对应变的响应和恢复时间；c) 本工作与报道的文献在工作范围和灵敏度方面的比较；d-f）HK-M-PAAm水凝胶传感器在小应变（0-5%）、中应变10-100%）和大应变（100-500%）下重复拉伸期间的相对电阻变化。g) HK-M-PAAm水凝胶传感器在200次加载-卸载循环下的稳定性测试；h）（g）中红框部分的放大图。